Nanoparticules d'alliage or-étain pour le remplissage des trous d'interconnexion

Le présent mémoire porte sur la possibilité d'utiliser des nanoparticules d'alliage or-étain à l'eutectique, dont la température de fusion est de 280ºC, pour un procédé via-last de remplissage de trous d'interconnexions (TSV – Through Silicon Via). Les principaux objectifs sont de déterminer la meilleure approche pour suspendre les nanoparticules dans un solvant ainsi que d'analyser et de comprendre le comportement des nanoparticules d'alliage Au-Sn lors de traitements thermiques. Dans un premier temps, la préparation de suspensions stables de nanoparticules dans un solvant a été étudiée. Trois techniques ont été analysées soit de charger les particules, de fonctionnaliser leur surface et d'utiliser un surfactant. Puisque les nanoparticules sont relativement grosses (de l'ordre de 30 nm) et qu'elles sont agglomérées entre elles, seul l'ajout d'un surfactant permet d'obtenir une solution stable et homogène sur une période de plusieurs mois. Le surfactant qui a donné les meilleurs résultats est le PVP (PolyVinylPyrrolidone). Les nanoparticules Au-Sn préparées par une technique de plasma chaud se devaient d'avoir la composition précise de l'alliage eutectique 80Au-20Sn car une légère déviation dans leur composition peut faire augmenter considérablement la température de fonte. Des analyses XPS ont démontré que les nanoparticules avaient une concentration en or plus élevée que ce qui était désiré. Ainsi, la fusion complète des particules, afin de former un matériau uniforme à l'intérieur des TSV, s'est avérée impossible pour des températures de recuit compatibles avec un procédé via-last. Des mesures de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et de diffraction des rayons X (DRX) ont en effet démontré que les nanoparticules n'ont pas toutes la composition de l'eutectique. Aussi, l'enthalpie de fusion est 11,5 fois plus faible pour les nanoparticules que pour des microparticules du même alliage. Des phases qui n'entrent pas dans la composition de l'eutectique ont également été observées lors des mesures. Le fait que les nanoparticules ne fusionnent pas, et ce même à une température de 600ºC, a été attribué à deux facteurs. Le premier est que la technique de fabrication des nanoparticules ne permet pas d'obtenir une composition exacte et uniforme. Des phases riches en étain ainsi que la phase d'or non lié à l'étain sont présentes dans les nanoparticules. Le deuxième facteur est que les particules sont trop petites pour pouvoir être composées de l'alliage eutectique proprement

Abstract

This master thesis focuses on evaluating the feasibility of using nanoparticles of gold-tin alloy at the eutectic composition, for which the melting point is 280 °C, for a via-last through silicon via (TSV) filling process. The main objectives are to determine the best approach for suspending nanoparticles in a solvent, as well as analyzing and understanding their behavior during heat treatments. First, the preparation of stable nanoparticle suspensions in a solvent was studied. Three approaches were investigated: charging the particles, functionalizing their surface, and using a surfactant. As nanoparticles are relatively big (in the order of 30 nm), and because they are agglomerated, only the addition of a surfactant produces a stable and homogeneous solution over a period of several months. The surfactant which yielded the best results is PVP (PolyVinylPyrrolidone). The Au-Sn nanoparticles prepared by a hot-plasma technique should have the precise composition of the 80Au-20Sn eutectic alloy since a slight deviation in composition can considerably increase the melting temperature. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses revealed that the nanoparticles had a slightly higher gold content than anticipated. Therefore, the complete melting of the particles, required for forming a uniform material inside the TSV, has proven impossible for annealing temperatures compatible with a via-last process. Differential scanning calorimetric (DSC) and X-ray diffraction (XRD) analyses indeed demonstrated that composition of nanoparticles is not exactly that of the eutectic. Also, the enthalpy of fusion is 11.5 times lower for nanoparticles than microparticles of the same alloy. Phases which do not form part of the composition of the eutectic were also observed in these measurements. The fact that nanoparticles do not melt, even at temperatures of 600 °C, was attributed to two factors. First, the nanoparticle fabrication technique does not allow for a precise and uniform composition as tin-rich as well as pure gold phases were detected. Secondly, the results indicate that the nanoparticles too small to be composed of the eutectic alloy. Indeed, due to their small size, both phases of the eutectic are not present in adequate proportions inside the nanoparticles. It is therefore impossible for this material to have a melting point of 280 °C when it is in the form of nanoparticles.